TI芯科技賦能中國新基建之解鎖光伏創新

Eric每年都會回老家，就在去年他看到老家的屋頂上新豎起了一排排的太陽能光伏板，立刻意識到鄉親們能夠從中帶來一定的收益，作為德州儀器（TI）新能源應用的技術專家，他很欣慰。其實Eric的家鄉正是全國如火如荼推進的光伏發電（即太陽能）中的一朵小浪花。

根據國家能源局網站的消息，我國2021年新增光伏發電并網裝機容量約5300萬千瓦，連續9年穩居世界首位。截至2021年底，光伏發電并網裝機容量達到3.06億千瓦，突破3億千瓦大關，連續7年穩居全球首位。

回顧近20年的發展，光伏市場雖然也經過了啟動期、調整期、醞釀期以及高速發展期等不同階段，但裝機總容量始終在節節攀升中。光伏的好處毋庸置疑，取之不盡且零污染，不過隨著產業的不斷發展，也有一些痛點亟待解決，包括成本、效率、智能化、可靠性等。

逆變器是光伏發電系統的核心電力電子設備，就像是整個光伏系統的心臟，其作用是將光伏組件產生的可變直流電壓轉換為市電頻率交流電。而芯片則是逆變器的核心組件，因此光伏行業所面臨的一系列痛點，同樣是芯片行業正在踐行的創新。“包括太陽能在內的可再生能源由于完全取決于自然環境，因此動態性很大且不可控，這就給系統設計帶來了更多挑戰。”Eric指出。

更大功率的逆變器意味著更多的元件，且同時會存在功率并聯的情況，這會給系統設計帶來進一步的挑戰，需要具備低輸出失真、高精確的電壓和電流模擬測量、高效率和功率密度以及實時通信和監測等特性。那么什么樣產品和技術可以為光伏逆變器系統提供有競爭力的解決方案呢？

機敏的大腦——控制器

光伏逆變器一般具有兩個功率轉換級，一個是直流到直流的升壓過程，另一個則是直流到交流的逆變過程。這些都要依靠于控制器來進行處理、傳感以及控制三方面的工作，控制器就是整個逆變器中的大腦，為了滿足高動態性給系統帶來的挑戰，控制器的選擇成為關鍵。早在中國的光伏市場啟動之時，TI的C2000?實時微控制器（MCU）就借助其電力電子控制領域的積累，廣泛應用于光伏逆變器中。這些年來更是在各方面都不斷改進，在提高芯片性能的同時，集成更多實時控制模擬外設。

在處理方面，C2000? MCU具有超高性能的C28數字信號處理器、硬件算法加速器、CLA（控制律加速器）及CLB（可配置邏輯塊）等多種處理器內核組成的異構計算架構，從而最大化處理性能。對于傳感而言，多個并行ADC模塊支持最高16位分辨率，最高3.46MSPS的采樣速率，可以精確測量及監控系統各部分的電流、電壓，此外還包括比較器、DAC等豐富的外設。而對于控制端，150ps精度的多通道PWM控制器，可快速驅動各類功率轉換器件，甚至基于SiC或GaN的寬帶隙器件等。

可靠的免疫組織——信號鏈隔離

逆變器系統支持從幾伏到數百伏的電壓，為確保高壓復雜環境下的信號完整性，需要像人類免疫組織的隔離器件，從而可靠地隔離高壓對低壓的潛在性破壞，或者隔離噪聲帶來的測量不準確性。TI的數字隔離器技術基于專有二氧化硅 (SiO2) 絕緣柵，具有超高工作電壓、超高可靠性、支持高速率傳輸等多種優勢，與光耦方案相比，功壽命更長，功率更低且更緊湊。

特別地，針對逆變器的閉環控制邏輯而言，需要采樣高壓大功率系統中的電壓和電流信號，以便準確轉換功率，并隨時確保系統可以可靠運行。為此，TI將數字隔離技術與其信號鏈和電源產品廣泛集成，從而實現更高的集成度。比如集成直流/直流轉換器的增強型隔離放大器AMC3302，單芯片實現了對輸出電流信號的采集，相比于基于霍爾磁效應的傳感器而言，精度更高，電路尺寸更小，抗電磁干擾和共模干擾能力更強，并且可擴展性更強。

強健的肌肉——驅動及功率器件

電源轉換的本質是通過功率管的開關來實現不同的電壓變化，就好像人體的肌肉與骨骼在大腦的指揮下執行著一次次電源變化過程，因此更強健的功率器件和對應的驅動是逆變器效率和可靠性的重要體現。

更高的輸入電壓以及更小的無源元件正在成為光伏逆變器的重點發展方向，前者可以減少損耗并且使功率器件體積更小，后者則需要功率器件具有更高的開關速率。為了應對更高的工作電壓和開關速度的挑戰，可以采用寬禁帶半導體（例如SiC和GaN）。比如TI推出的具有集成驅動器、保護和溫度報告功能的GaN FET，不僅可以提高整體轉換效率，降低系統成本，還可以實現更小、更輕及更可靠的逆變器。

盡管寬禁帶半導體已登場，但傳統的功率器件依然是目前逆變器市場的主流。實際上，無論何種功率器件，都需要對應的柵極驅動器，驅動器既可簡單也可復雜。由于功率器件是逆變器中最容易損壞的部分，集成米勒鉗位、分離輸出、欠壓鎖定(UVLO)、以及溫度保護的智能驅動可以為功率器件長時間運行保駕護航。

另外，電路中的噪聲，無論是電源紋波還是柵極振鈴，噪聲都會導致功率器件錯誤運行并降低可靠性。TI集成隔離、保護功能的智能柵極驅動器，可以有效隔離噪聲以及其他潛在的高壓危害，并可輕松適配各類功率器件。

智能及更多

目前，新型的逆變器或匯流箱普遍支持手機遠程監控，從而方便進行監控與維護。TI提供了多種有線或無線連接處理器，以滿足智能化的連接需求，其中包括Wi-Fi、Wi-Sun、ZigBee等無線通信技術，以及以太網、CAN、RS485等有線技術。此外，這些處理器也支持豐富的HMI，從而進一步提升操作體驗。

對于長達數十年運行的光伏系統而言，半導體器件的壽命和供貨連續性是實現系統穩定的可靠保證，TI 的產品生命周期通常為 10 ～ 15 年，并且通常可以延長使用壽命。同時，為了實現高質量生產，TI 自1985年起就建立了的質量綜合管理體系，并成為TI生產過程中的必要工具。對產品壽命和供貨連續性的承諾，以及對產品質量的承諾，從來都是合作伙伴對TI最為認可之處。

在產品的性能和質量之外，開發支持是用戶同樣關注的，而這是TI的優勢所在。以C2000?為例，TI針對光伏等電源領域，提供了完整的數字電源軟件開發套件，包含全面的軟件基礎架構、工具和文檔，旨在更大程度地縮短基于 C2000? MCU 的數字電源系統開發時間。

在開發套件和參考設計方面，TI 2014年就針對組串式及微型逆變器推出了太陽能微型逆變器開發套件，基于TI F28003x MCU的C2000?太陽能微型逆變器開發套件使設計人員了解了一款完全適合的MCU，并通過把開發流程分解成若干個便于管理的部分系統地解決了應用難題。用戶一開始可以通過一個簡單的圖形界面對設計進行評估，而不必一頭扎進代碼開發工作之中。當準備好做更深一步的探究時，基于理論的詳盡文檔可通過太陽能微型逆變器開環至閉環操作的遞增式構建，來指導用戶循序激進地完成軟件與硬件實施方案。

目前，基于C2000? MCU的參考設計可以快速實現包括MPPT、逆變、電弧檢測、快速關機（RSD）在內的多種功能。

可持續的未來

“TI產品的廣度、對于垂直領域的關注度，決定了TI將服務于各個行業領域的技術發展，光伏市場就是個最佳例子。”Eric介紹，TI一直以來同行業客戶緊密交流，將客戶的需求轉換為產品及方案的創新，并通過本地化團隊與客戶進行同步聯動，從而在新方案出來后更快選用。“TI一直以來服務于眾多國內逆變器客戶，我們深知只有客戶的方案具有競爭力，才可以使行業具有競爭力，從而不斷去推動市場發展。”

可持續發展的理念如今已深入人心，無論是技術創新還是市場容量都正在迅速崛起，Eric也因此變得越來越忙碌。從農村到城市，從民居到工業園區，隨著藍色屋頂一排排地搭建起來，印證了越來越多的光伏在發揮作用。此時他更加堅信這份工作有著更深遠的價值，并且已經和TI的愿景相一致。那就是通過TI的產品與服務，幫助可再生能源產業創新，助力可持續發展的新征程，從而為所有人創造一個更清潔、更可持續的未來。